模糊層次法在柴油機(jī)性能開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究

潘發(fā)存，韓金輝，李麗麗，馮海浩，代子陽(yáng)

（濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261000）

柴油機(jī)因具有較強(qiáng)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，從而做為主要?jiǎng)恿敵?，廣泛用于汽車、輪船、發(fā)電、軍工等方面［1-3］。隨著地球上化石燃料等一次能源的減少以及日益惡化的生存環(huán)境，柴油機(jī)的排放法規(guī)不斷升級(jí)，人們節(jié)能減排的意識(shí)不斷提高，柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)也隨之向低油耗，低排放方向發(fā)展。影響發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放的參數(shù)很多，主要包括：共軌管壓力、主噴時(shí)刻、廢氣再循環(huán)等參數(shù)，不同參數(shù)組合方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、排放性能的影響差異較大［4-7］。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)時(shí)選取的方案要同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

模糊層次法（FAHP）是20 世紀(jì)70 年代美國(guó)運(yùn)籌學(xué)T.L.Saaty 教授提出的一種定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。該方法對(duì)于量化評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇最優(yōu)方案提供了依據(jù), 并得到了廣泛的應(yīng)用［8-11］。

本文主要闡述了在發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)時(shí)，首先通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiments DOE），將影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變量如：共軌管壓力、主噴時(shí)刻、廢氣再循環(huán)等通過(guò)不同排列組合設(shè)計(jì)出多種試驗(yàn)方案；將所設(shè)計(jì)的所有方案分別在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化掉明顯不符合標(biāo)定的方案；將剩余方案利用模糊層次法計(jì)算出相應(yīng)權(quán)重，從而確定優(yōu)選方案。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)用柴油機(jī)技術(shù)規(guī)格如表1 所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）

以1 480 r·min-1@780N·m 工況為例，研究不同軌壓、提前角、廢氣再循環(huán)參數(shù)組合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能差異的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)40 種不同的方案，針對(duì)每種試驗(yàn)方案均利用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中使用EATS 公司的INCA7.1 標(biāo)定軟件進(jìn)行電控?cái)?shù)據(jù)標(biāo)定，使用湘儀的電力測(cè)功機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，使用日本HORIBA 公司的直采氣體分析儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOx等成分。分析試驗(yàn)結(jié)果，40 種不同試驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)40 種不同的結(jié)果，將這40種結(jié)果中明顯差的點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化、篩除，剩余6 種方案如表2 所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2 基于模糊層次法的方案優(yōu)選

2.1 層次模型建立

將發(fā)動(dòng)機(jī)性能標(biāo)定方案優(yōu)選作為目標(biāo)層，燃油消耗率、NOx比排放、煙度等技術(shù)指標(biāo)作為準(zhǔn)則層，6 種標(biāo)定方案作為方案層，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)的模型，如圖1 所示。

圖1 性能標(biāo)定方案優(yōu)選模型

2.2 構(gòu)建模糊一致性矩陣

根據(jù)所開(kāi)發(fā)柴油機(jī)性能要求，初步確定各項(xiàng)性能指標(biāo)的重要性從大到小排序依次為：燃油消耗率、NOx比排放、483 煙度。以矩陣的形式表達(dá)因素對(duì)上層某個(gè)層次的重要程度。其矩陣元素確定方式如下：（1）當(dāng)因素優(yōu)于因素時(shí)，因素取值為1；（2）當(dāng)因素優(yōu)劣相同時(shí)，因素取值為0.5；（3）當(dāng)因素劣于因素時(shí)，元素取值為0。因此組建模糊判斷矩陣如下：

通過(guò)表2 中的數(shù)據(jù)，得到模糊一致矩陣：F1、F2、F3。

在運(yùn)用模糊層次法進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，最重要的是建立正確的模糊一致矩陣，對(duì)模糊矩陣進(jìn)行求和計(jì)算，記為：；同時(shí)，由數(shù)學(xué)變換建立模糊一致矩陣。

將F1、F2、F3、F4 全部轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣R1、R2、R3、R4。

2.3 層次單排序

層次單排序是指針對(duì)上層因素，對(duì)該層全部元素的重要性和優(yōu)選權(quán)重排序。其公式為：，m為矩陣階數(shù)。由計(jì)算公式得各指標(biāo)權(quán)重為：W=［0 .5000.3330.167］T，然后用相同的方法分別計(jì)算出R1、R2、R3 所對(duì)應(yīng)的權(quán)重W1、W2、W3 為：

2.4 層次總排序

將所得到的W以及W1、W2、W3、W4 的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算層次總排序?yàn)椋?/p>

根據(jù)層次總排序向量，得到6 種標(biāo)定方案的相對(duì)優(yōu)劣順序?yàn)?#、2#、5#、6#、4#、3#，即1#為最佳方案。

4 結(jié) 論

1）性能標(biāo)定方案優(yōu)選的過(guò)程中，涉及到多個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)，優(yōu)選困難，根據(jù)模糊層次法為性能標(biāo)定方案的優(yōu)選建立了科學(xué)、高效、合理的決策模型。

2）根據(jù)實(shí)例進(jìn)行將試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析表明，運(yùn)用模糊層次法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能標(biāo)定方案進(jìn)行綜合評(píng)估是適用的、有效的。為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定方案的優(yōu)選提供了全新的思路。